Исследование амплитудно-частотной характеристики электромеханического фильтра

Цель работы: ознакомиться с принципом работы электромеханического фильтра (ЭМФ), исследовать амплитудно-частотную характеристику электромеханических фильтров ФЭМ-500-3Н и ФЭМ-500-3В.

Приборы и принадлежности: электромеханические фильтры ФЭМ-500-3Н, ФЭМ-500-3В, генератор сигналов низкочастотный Г3-112, осциллограф TEKRONIX TDS-380

Теория электромеханических фильтров впервые была применена для совершенствования механических частей граммофонов в 1920-х годах. В 1950-х ЭМФ начали выпускаться как самостоятельные изделия для использования в радиопередатчиках и высококачественных радиоприёмниках. Высочайшая добротность механических резонаторов, намного превысившая добротность любых обычных (на конденсаторах и катушках индуктивности) колебательных контуров, позволила создавать механические фильтры с превосходной избирательностью. Высокая чувствительность, важная для радиоприёмников, также сделала эти фильтры очень привлекательными для использования. Современные исследователи занимаются разработкой микроэлектромеханических фильтров — электромеханических аналогов интегральных микросхем.

Принцип действия и конструкция

В рассматриваемых фильтрах подлежащие фильтрации электрические колебания подводятся к электромеханическому преобразователю, расположенному на входе фильтра. Здесь они преобразуются в механические колебания, которые затем в виде волн распространяются вдоль фильтрующей системы, представляющей собой цепочку связанных резонаторов. Отфильтрованные механические колебания попадают на выходной преобразователь, где они снова преобразуются в электрические колебания, поступающие на выход фильтра.

В качестве резонаторов применяются круглые металлические стержни, работающие в режиме крутильных или продольных колебаний, пластины различной формы, шарики с радиальными колебаниями и т.п. Для верхнего участка рассматриваемого диапазона частот (300-550 кГц) наиболее удобны резонаторы, выполненные в виде дисков, в которых используются колебания изгиба с двумя узловыми окружностями.

Рис. 1. Форма колебаний дискового резонатора при двух узловых окружностях

При таких колебаниях у дисковых резонаторов образуются три фазовые поверхности (рис. 1). Направления движения поверхностей I и III совпадают, направление же движения поверхности II противоположно первому. Точки поверхности диска, лежащие на узловых окружностях, которые представляют собой линии раздела фазовых поверхностей, остаются неподвижными. Края диска подвижны, причем скорость их движения в любой точке одинакова. Это позволяет осуществить связь между дисками в фильтре посредством проволочек-связок, расположенных по периферии резонаторов.

Для электромеханических преобразователей используются материалы, обладающие пьезоэлектрическими или магнитострикционными свойствами. Чаще применяются магнитострикционные преобразователи, принцип действия которых основан на изменении формы и размеров ферромагнитных тел при их намагничивании. В качестве таких преобразователей обычно использовали никель, или сплавы никеля с железом (температурный коэффициент которых практически равен нулю) и другими металлами, или магнитострикционные ферриты.

При возбуждении магнитного поля вдоль стержня из магнитострикционного материала длина стержня изменяется. При увеличении длины стержня под воздействием магнитного поля имеет место так называемая положительная магнитострикция, а при уменьшении длины — отрицательная. Знак приращения длины стержня не зависит от направления магнитного поля, но зависит от состава ферромагнитного тела. Поэтому в стержне необходимо создавать дополнительное постоянное магнитное поле, чтобы колебания стержня не происходили с двойной частотой.

Наряду со свойством прямой магнитострикции ферромагнитный стержень обладает свойством обратной магнитострикции, т. е. под действием внешней силы, изменяющей длину стержня, в нем возникает продольное магнитное поле.

Относительное изменение длины никелевого стержня измеряется величинами порядка 10^-5.

Изменение длины стержня из никеля ослабевает при напряженности поля около 500 эрс. Начальный изгиб характеристики магнитострикции никеля занимает примерно 0,1 — 0,3 эрс. Магнитострикционными свойствами обладают также и некоторые сорта пермаллоя.

Электромеханические фильтры с резонаторами в виде дисков получили название дисковых фильтров.

Рис. 2. Схематическое изображение колебательной системы дискового фильтра

Конструкция колебательной системы такого фильтра схематически изображена на рис. 2. Входной преобразователь состоит из катушки 1, отрезка тонкой проволочки 2, изготовленной из железоникелевого сплава с хорошими магнитострикционными и демпфирующими свойствами, и постоянного магнита 3, задающего начальное магнитное смещение, необходимое для нормальной работы преобразователя. Проволочка входного преобразователя присоединена к центру первого из дисков 4 колебательной системы.

Дисковые резонаторы 4 соединены между собой несколькими проволочками связи 5, приваренными к каждому диску в двух точках, расположенных у его краев. Две дополнительные проволочки 6 и 7 служат для увеличения связи между оконечными и предоконечными резонаторами, что требуется в соответствии с структурой фильтра. Чем больше число и диаметр проволочек связи, тем шире полоса пропускания фильтра.

К центру последнего резонатора присоединена проволочка 8 выходного магнитострикционного преобразователя, выполненного так же, как и входной.

Вся цепочка резонаторов посредством продолжения проволочек связи 5 удерживается на опорных стаканах 9 и 10, с помощью которых колебательная система крепится в арматуре фильтра. В дне каждого из опорных стаканов имеется отверстие для проволочки преобразователя. Внутри стаканов размещаются катушки 1 и 11 Для повышения эффективности преобразователей входной и выходной контуры с помощью внешних конденсаторов настраиваются на среднюю частоту фильтра.

Электрические колебания подводятся к катушке 1. Переменное магнитное поле катушки, возникающее под действием протекающих через нее токов ВЧ, благодаря прямому эффекту магнитострикции возбуждают в проволочке 2 продольные механические колебания, которые передаются первому дисковому резонатору. Проволочками связи 5 эти колебания последовательно передаются от резонатора к резонатору и достигают оконечного диска, который возбуждает продольные колебания в проволочке 8 выходного преобразователя. Вследствие обратного эффекта магнитострикции в катушке 11 возникают электрические колебания, которые поступают на выход фильтра.

Каждый резонатор электромеханического фильтра по своим функциям эквивалентен колебательному контуру электрического фильтра, а проволочки связи - конденсаторам связи между этими контурами. Таким образом, чем больше в электромеханическом фильтре резонаторов, тем выше его избирательность.

Рис. 3. Эквивалентная схема дискового фильтра

На рис. 3 приведена эквивалентная схема дискового фильтра. Здесь последовательные контуры LС являются электрическими аналогами дисковых резонаторов, а конденсаторы Сcв - отображают, с известным приближением, проволочки связи. Нагрузочные сопротивления R1 и R2 отображают демпфирующие свойства преобразователей, которые используются для согласования фильтра.

Качественно резонаторы электромеханического фильтра резко отличаются от колебательных контуров электрического фильтра. Если добротность последних обычно не превышает 150-200, то первые, как правило, имеют добротность 8000- 15000, то есть почти в сто раз большую. Именно этим и объясняется чрезвычайно высокая избирательность электромеханических фильтров, а также то, что их можно построить на очень узкие полосы пропускания. Кроме того, механические резонаторы, выполненные из специального железоникелевого сплава эленварного типа, обладают очень хорошей температурной и временной стабильностью, и практически абсолютной цикличностью своих параметров, что не наблюдается у электрических контуров. Так, например, если температурный коэффициент частоты электрических контуров на этих частотах составляет (50-100)10-6 I/град, то у механических резонаторов он не превышает (3-7)10-6 I/град. Этим и объясняется высокая стабильность электромеханических фильтров.

Рис. 4. Внешний вид фильтра.

Внешний вид описываемого фильтра показан на рис.4. Его колебательная система и элементы приведены на рис. 4. Фильтр содержит 9 резонаторов диаметром 8,5 мм и толщиной 1,82 - 1,87 мм. Расстояние между ними составляет 1 мм. Все резонаторы соединены между собой тремя проволочками-связками диаметром 0,25 мм. Проволочка преобразователя имеет диаметр 0,12 мм и длину 10,5 - 11 мм.